CN101169644A - 薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法 - Google Patents

薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法 Download PDF

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王宇晗
徐志明
冯景春
程松
周吉
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Abstract

本发明公开一种薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法，涉及计算机数控加工技术领域；该加工方法步骤包括：1)在对工艺进行分类研究的基础上，获得有限的五轴加工工艺特征曲面类型实现基于工艺特征的零件CAD建模；2)针对不同的特征曲面局部，选择高效的刀具形状、刀具尺寸和加工策略；推导NURBS曲线和典型刀具切削刃在有理运动下形成的扫描面的解析表达式；3)按照综合优化切削力、切削热的原则，在工艺参数和机床参数的约束下重新优化刀具路径和工艺参数。本发明公开的五轴联动加工方法能提高零件曲面加工精度、表面粗糙度、加工效率，能对薄壁、难加工材料零件的加工工艺进行优化。

Description

薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法
技术领域
本发明涉及计算机数控加工技术，特别是涉及一种计算机数字控制的用于薄壁零件空间曲面的五轴联动加工技术。
背景技术
航空、汽轮机整体叶轮、叶片类复杂零件具有空间复杂曲面、薄壁低刚性、材料去除率高、材料难加工的特点，造成刀具易磨损、切削余量变化剧烈，并存在加工精度和表面加工质量难以保证、加工效率低等技术难点。为解决该类零件的高速、高效、精密加工需求，一般采用高速五轴联动加工和高效路径规划方法。
现有的五轴联动CAM(计算机辅助制造)软件和路径规划方法主要是进行几何方面的计算，没有将加工材料的切削力模型和薄壁零件热力耦合下的材料变形等综合物理约束引入刀具路径规划中，因此，用这些方法生成的加工程序无法满足薄壁复杂曲面的精密、高效加工。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高零件曲面加工精度、表面粗糙度、加工效率，能对薄壁、难加工材料零件的加工工艺进行优化的薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：
1、零件的CAD(计算机辅助设计)建模，从正向设计的角度分析整体叶轮、叶片类复杂零件的几何特点、材料特点和加工要求，在对工艺进行分类研究的基础上，获得有限的五轴加工工艺特征曲面类型(如叶面、根部、叶梢等)实现基于工艺特征的零件CAD建模；
2、针对不同的特征曲面局部，选择高效的刀具形状、刀具尺寸和加工策略；根据零件的结构特点、曲面特点和工艺参数约束，利用有理运动包络法规划光顺的刀具路径；推导NURBS曲线和典型刀具切削刃在有理运动下形成的扫描面的解析表达式，利用离散刀位点插值有理运动，在无干涉的刀位点之间用有理运动插值刀具路径，基于刀具有理运动的解析表达式检测干涉和误差；
3、优化刀具路径和工艺参数，通过基于有理运动包络面的材料去除率分析和刀具与工件表面的相对位置关系计算，快速准确的计算材料去除率以及刀具与工件接触的面积和接触位置；研究基于材料去除率的切削力模型，计算刀具路径的切削力分布；按照综合优化切削力、切削热的原则，在工艺参数和机床参数的约束下重新优化刀具路径和工艺参数。
本发明提供的薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法的有益效果：由于本发明提出了以贴近零件曲面特征面的刀具空间形位拟合(包络)原理的曲面成形方法，从而提高零件曲面加工精度、表面粗糙度、加工效率；本发明通过建立五轴刀具路径、材料去处率等几何模型与上述综合物理约束的关联，将零件加工切削力和切削热这些综合物理量约束引入五轴联动刀具路径规划中，从而达到对薄壁、难加工材料零件的加工工艺优化目标。
附图说明
图1是本发明实施例薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法的实施流程框图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
本发明实施例所提供的一种薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法，其步骤为：
1、零件的CAD建模，从正向设计的角度分析整体叶轮、叶片类复杂零件的几何特点、材料特点和加工要求，在对工艺进行分类研究的基础上，获得有限的五轴加工工艺特征曲面类型(如叶面、根部、叶梢等)实现基于工艺特征的零件CAD建模；
2、针对不同的特征曲面局部，选择高效的刀具形状、刀具尺寸和加工策略；根据零件的结构特点、曲面特点和工艺参数约束，利用有理运动包络法规划光顺的刀具路径；推导NURBS曲线和典型刀具切削刃在有理运动下形成的扫描面的解析表达式，利用离散刀位点插值有理运动，在无干涉的刀位点之间用有理运动插值刀具路径，基于刀具有理运动的解析表达式检测干涉和误差；
3、优化刀具路径和工艺参数，通过基于有理运动包络面的材料去除率分析和刀具与工件表面的相对位置关系计算，快速准确的计算材料去除率以及刀具与工件接触的面积和接触位置；研究基于材料去除率的切削力模型，计算刀具路径的切削力分布；按照综合优化切削力、切削热的原则，在工艺参数和机床参数的约束下重新优化刀具路径和工艺参数。
本发明实施例所提供的一种薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法具体的实施流程如下：
1)模型输入；
2)得到工件曲面类型；
3)特征提取；
4)根据特征曲面，或转至5)，或转至7)；
5)在切削参数数据库中，进行参数选择；
6)得到切削参数；
7)刀路规划，并进行加工仿真；
8)CL数据；
9)进给率规划；
10)接口数据；
11)NC(数控)插补；
12)NC加工。
本发明的五轴联动加工方法实施流程包括CAD阶段(由1)至2)、)，CAM阶段(由3)至10)、)和CNC(计算机数控机床加工)阶段(由11)至12)、)。

Claims (1)

1.一种薄壁零件空间曲面的五轴联动加工方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：
1)零件的CAD建模，从正向设计的角度分析整体叶轮、叶片类复杂零件的几何特点、材料特点和加工要求，在对工艺进行分类研究的基础上，获得有限的五轴加工工艺特征曲面类型实现基于工艺特征的零件CAD建模；
2)针对不同的特征曲面局部，选择高效的刀具形状、刀具尺寸和加工策略；根据零件的结构特点、曲面特点和工艺参数约束，利用有理运动包络法规划光顺的刀具路径；推导NURBS曲线和典型刀具切削刃在有理运动下形成的扫描面的解析表达式，利用离散刀位点插值有理运动，在无干涉的刀位点之间用有理运动插值刀具路径，基于刀具有理运动的解析表达式检测干涉和误差；
3)优化刀具路径和工艺参数，通过基于有理运动包络面的材料去除率分析和刀具与工件表面的相对位置关系计算，快速准确的计算材料去除率以及刀具与工件接触的面积和接触位置；研究基于材料去除率的切削力模型，计算刀具路径的切削力分布；按照综合优化切削力、切削热的原则，在工艺参数和机床参数的约束下重新优化刀具路径和工艺参数。
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